Wat is een fotodiode? (Deel 1)

Fotodiodeis een halfgeleiderapparaat dat licht omzet in stroom, en tussen de p (positieve) en n (negatieve) lagen bevindt zich een intrinsieke laag. Een fotodiode ontvangt lichtenergie als input om een ​​elektrische stroom te produceren. Fotodiodes zijn ook bekend als fotodetectoren, foto-elektrische sensoren of lichtdetectoren.

De fotodiode werkt onder omgekeerde bias-omstandigheden, dat wil zeggen dat de P-zijde van de fotodiode is verbonden met de negatieve elektrode van de batterij (of voeding) en de N-zijde is verbonden met de positieve elektrode van de batterij. Typische fotodiodematerialen zijn silicium, germanium, indium-galliumarsenidefosfide en indium-galliumarsenide.

Binnenin heeft de fotodiode een lichtfilter, ingebouwde lens en oppervlakte. Wanneer het oppervlak van de fotodiode wordt vergroot, wordt de reactietijd verkort. Zeer weinig fotodiodes zien eruit als light-emitting diodes (LED's). Het heeft twee terminals, zoals hieronder getoond. De kleinere terminal dient als kathode en de langere terminal dient als anode.

Het symbool van de fotodiode lijkt op het symbool van de LED, maar de pijl wijst naar binnen in plaats van naar buiten in de LED. Onderstaande afbeelding toont het symbool van de fotodiode.

1. Fotodiodeprincipe

Fotodiodes werken door een paar elektronengaten te creëren wanneer een energetisch foton de diode raakt. Dit mechanisme wordt ook wel het interne foto-elektrische effect genoemd. Als absorptie optreedt in de overgang van het depletiegebied, worden de dragers van de kruising verwijderd door het interne elektrische veld in het depletiegebied.

Gewoonlijk, wanneer licht de PN-overgang verlicht, wordt de covalente binding geïoniseerd. Hierdoor ontstaan ​​gaten en elektronenparen. De fotostroom wordt gegenereerd door het genereren van elektron-gatparen. Wanneer fotonen met energieën groter dan 1,1 eV de diode raken, worden elektron-gatparen gevormd. Wanneer het foton het uitputtingsgebied van de diode binnengaat, raakt het het atoom met hoge energie. Dit resulteert in het vrijkomen van elektronen uit de atomaire structuur. Wanneer elektronen worden losgelaten, ontstaan ​​er vrije elektronen en gaten.

Over het algemeen hebben elektronen een negatieve lading en gaten een positieve lading. Verarmde energie zal een ingebouwd elektrisch veld hebben. Vanwege dit elektrische veld bevindt het elektron-gat-paar zich ver van de PN-overgang. De gaten bewegen dus naar de anode en de elektronen naar de kathode om een ​​fotostroom te produceren.

Fotonabsorptie-intensiteit en fotonenergie zijn evenredig met elkaar. Hoe minder energie de foto heeft, hoe meer hij absorbeert. Dit hele proces wordt het interne foto-elektrische effect genoemd.

Intrinsieke excitatie en extrinsieke excitatie zijn twee methoden voor fotonexcitatie. Het intrinsieke excitatieproces vindt plaats wanneer elektronen in de valentieband door fotonen naar de geleidingsband worden geëxciteerd.

2. Werkcircuit van de fotodiode

Fotodiodes werken voornamelijk in drie verschillende modi, namelijk:

(1) Fotovoltaïsche modus

(2) Fotogeleidende modus

(3) Lawinediode-modus

(1) Fotovoltaïsche modus

Deze modus wordt ook wel de zero bias-modus genoemd. Deze modus heeft de voorkeur wanneer fotodiodes werken in laagfrequente toepassingen en lichttoepassingen op superenergieniveau. Wanneer de flits de fotodiode raakt, ontstaat er een spanning. De resulterende spanning zal een zeer klein dynamisch bereik hebben en niet-lineaire kenmerken hebben. Wanneer de fotodiode in deze modus is geconfigureerd met OP-AMP, zal de temperatuurverandering zeer klein zijn.

(2) Fotogeleidende modus

In deze modus werkt de fotodiode onder omgekeerde bias-omstandigheden. De kathode is positief en de anode is negatief. Naarmate de sperspanning toeneemt, neemt ook de breedte van de uitputtingslaag toe. Als gevolg hiervan zullen de responstijd en de junctiecapaciteit worden verminderd. Deze manier van werken is daarentegen snel en genereert elektronische ruis.

(3) Lawinediode-modus

Lawinediodes werken onder omstandigheden met een hoge omgekeerde bias, waardoor lawine-afbraak zich kan vermenigvuldigen met elk elektron-gat-paar dat wordt geproduceerd door foto-elektriciteit. Het resultaat is de interne versterking van de fotodiode, waardoor de respons van het apparaat langzaam toeneemt.

(4) Fotodiodecircuit

Het schakelschema van de fotodiode is hieronder weergegeven. De schakeling kan worden opgebouwd met een weerstand van 10k en een fotodiode. Zodra de fotodiode het licht opmerkt, laat het wat stroom door. De som van de door de diode geleverde stroom kan evenredig zijn met de som van het licht dat door de diode wordt waargenomen.

3. Sluit de fotodiode aan op het externe circuit

De fotodiode werkt in een omgekeerd voorgespannen circuit. De anode is verbonden met de circuitmassa en de kathode is verbonden met de positieve voedingsspanning van het circuit. Wanneer verlicht door licht, vloeit er een elektrische stroom van de kathode naar de anode.

Wanneer fotodiodes worden gebruikt met een extern circuit, worden ze aangesloten op een voeding in het circuit. De door de fotodiode gegenereerde stroom zal zeer klein zijn. Deze stroomwaarde is niet voldoende om het elektronische apparaat aan te drijven. Daarom, wanneer ze zijn aangesloten op een externe voeding, levert dit meer stroom aan het circuit. Dus de batterij wordt gebruikt als stroombron. De batterijbron helpt de huidige waarde te verhogen, wat bijdraagt ​​aan de betere prestaties van externe apparaten.

4. Productieproces van fotodioden

Fotodiode materiaal

Het materiaal van een fotodiode bepaalt veel van zijn eigenschappen. Het belangrijkste kenmerk is de lichtgolf waarop de fotodiode reageert, en het andere is het ruisniveau, die beide grotendeels afhangen van het materiaal dat in de fotodiode wordt gebruikt.

Verschillende reacties op golflengten treden op vanwege het gebruik van verschillende materialen, omdat alleen fotonen met voldoende energie om elektronen in de bandafstand van het materiaal te exciteren, aanzienlijke energie produceren om de stroom van de fotodiode te genereren.

Hoewel de golflengtegevoeligheid van het materiaal erg belangrijk is, is een andere parameter die een aanzienlijke invloed kan hebben op de prestaties van de fotodiode het gegenereerde ruisniveau.

Vanwege hun grotere bandafstand produceren siliciumfotodiodes minder ruis dan germaniumfotodiodes. Er is echter ook een behoefte om rekening te houden met de golflengte van de vereiste fotodiode, en germaniumfotodiodes moeten worden gebruikt voor golflengten langer dan ongeveer 1000 nm.

Ga naar deel 2 voor meer informatie.

Contactgegevens:

Heeft u ideeën, spreek ons ​​gerust aan. Waar onze klanten zich ook bevinden en wat onze vereisten ook zijn, we zullen ons doel nastreven om onze klanten hoge kwaliteit, lage prijzen en de beste service te bieden.